专利名称：一种三段式电弧加热推力器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分段式电弧加热推力器，特别是涉及一种三段式电弧加热推力器，属于电弧加热推力器结构设计技术领域。
背景技术：
电弧加热推力器的外形通常是一个细长的棒状，一端是喷口，另一端是电连接器。 这种细长棒状结构的推力器，外壳靠近阳极(喷口)处的温度大致为1200°C，阳极中心区域温度可达到2000°C以上；推力器的后部(电连接器)的温度大致为200°C。设计上，为了提高阳极的寿命，要尽可能降低阳极中心区域的温度；为了保证电连接器的可靠性，要尽可能降低电连接器端的温度。
现有的电弧加热推力器样机，有以下两种结构
一种是整体的结构，即整个推力器外壳都用不锈钢、高温合金或钼合金材料。这种结构由于加工和材料制备的困难，无法采用耐高温的钨合金材料，而且整个推力器轴向的温度梯度难以提高，难以实现推力器的热设计，这种结构为实验室样机，难以长时间工作；
另一种是外壳与内芯结构，用不锈钢和高温合金制成推力器外壳，内芯采用钨合金，作为阳极材料，这种结构的两种材料由于热膨胀系数差距大，焊接性能差，同时由于不锈钢材料的导热系数较高，也难以实现推力器的热设计，这种结构也是实验室样机，无法运用到工程实践中。发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种三段结构的电弧加热推力器，针对电弧加热推力器热设计的需求，采用了由三种不同材料组成的推力器结构，提高了推力器的轴向温度梯度，解决了不同材料焊接的匹配性，在有限的尺寸上，满足推力器对工作温度分布的要求。
本发明的技术解决方案是一种三段式电弧加热推力器，采用分段结构，分为三段，包括阳极段、过渡段和高热阻段，过渡段一端的内部焊接固定阳极段，过渡段另一端与高热阻段焊接固定形成外壳，阳极段采用钨或钨合金制成，过渡段用钼合金制成，高热阻段为用钛合金、高温合金或不锈钢制成的薄壁结构。
所述的过渡段和高热阻段焊接处在电弧加热推力器工作时的温度为450 650 "C。
本发明与现有技术相比有益效果为
(1)本发明根据推力器不同部分对材料的需求，分别关注高温性能、结构强度、导热性能、焊接性能，降低了材料选取的难度，能够满足不同温度范围对材料使用温度、导热系数、强度等物理性能的要求，且满足了结构整体的焊接要求，实现了推力器结构件的工程化设计；
(2)本发明采用三段式结构，三段采用不同的耐高温性能、导热系数、热膨胀系数和机械加工性能的材料制成，提高了推力器的轴向温度梯度，解决了不同材料焊接的匹配性，在有限的尺寸上，满足推力器对工作温度分布的要求；
(3)本发明将外壳分为过渡段和高热阻段，过渡段不仅能在1200°C以上工作，同时与阳极段的焊接性能好，高热阻段热阻高能快速降低推力器外表的温度，解决了外壳采用一种材料制成，降温和焊接质量不能同时兼顾的难题，本发明结构既满足了高温工作下的焊接质量又满足了降温的要求；
(4)本发明通过确定过渡段和高热阻段焊接处在推力器工作时的温度范围来确定过渡段的最佳长度范围，将过渡段长度控制在便于加工的范围内，同时避免了成本增加；
(5)本发明高热阻段采用机械加工性能较好、热阻较大的材料制成薄壁结构，能有效降低推力器外表温度，保证电连接器的可靠性。
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
本发明在设计中针对推力器不同部分对材料的需求，分别关注高温性能、结构强度、导热性能、焊接性能，降低了材料选取的难度，能够满足不同区域对材料使用温度、导热系数、强度等物理性能的要求，且满足了结构整体的焊接要求，实现了推力器结构件的工程化设计。
本发明如图1所示，采用分段结构，分为三段，包括阳极段1、过渡段2和高热阻段 3，过渡段2 —端的内部焊接固定阳极段1，过渡段2另一端与高热阻段3焊接固定形成外tJXi O
阳极段1选用耐高温、耐热蠕变材料，能够适应M00°C工作温度和在5mm距离上 1200°C M00°C温度跨度上的热蠕变应力。根据阳极段1对材料的要求，一般选用钨或钨I=I 巫 O
过渡段2选用耐高温材料，能够适应1200°C以上工作温度，并可与阳极段1和高热阻段3焊接。在环境温度 1200°C区间，与钨合金热膨胀系数相近，在环境温度 650°C区间，与高热阻段3材料的热膨胀系数相近，保证过渡段2两端与阳极段1和高热阻段3的焊接强度。过渡段2和高热阻段3焊接处在电弧加热推力器工作时的温度为450 650°C时能保证高热阻段3降温要求，因此，根据过渡段2和高热阻段3焊接处在电弧加热推力器工作时的温度来确定过渡段2的最佳长度。过渡段2 —般选用钼合金，如TZM钼合金。
要提高降温效果一般通过3种途径增加长度、降低壁厚、采用热阻系统大的材料。根据以上要求，高热阻段3选用热传导系数低、容易机加工的材料，并采用薄壁结构 (长度大于壁厚)，以提高沿推力器轴向的温度梯度，降低电连接器端的温度。对高热阻段3 材料的要求是(1)能够在650°C温度范围内长时间工作；(2)热传导系数低；(3)在环境温度 650°C区间，与过渡段2材料的热膨胀系数相近；(4)机加工性能好，容易加工成薄壁结构；(5)机械强度好，薄壁结构的强度满足要求。根据上述高热阻段3对材料的要求，高热阻段3 —般选用采用钛合金、高温合金或不锈钢。
综合考虑上述阳极段1、过渡段2和高热阻段3的各项要求，确定阳极段1、过渡段2和高热阻段3的尺寸，将阳极段1、过渡段2和高热阻段3分别加工完成后，焊接成整体。
以下结合具体实例来详细说明本发明。
对于典型的IkW电弧加热推力器，总长约220mm，电弧向阳极的导热热流约350W， 推力器与空间环境的热交换方式为辐射换热，外壳辐射发射系数约0. 9。
当整体采用1. 5mm壁厚钼合金材料时，安装法兰的温度大约为350°C，由于温度偏高，推力器的安装和电连接都难以实现。
采用本发明所述的三段式电弧加热推力器结构，过渡段2选用钼合金，高热阻段3 选用钛合金，过渡段2和高热阻段3长度、壁厚需要根据材料导热系数、使用温度、机械加工能力综合评价后根据经验初步预计范围，再经过若干次试算后最终确定。
例如第一次试算选取过渡段2长度110mm，壁厚1. 5mm,高热阻段3长度110mm，壁厚1mm，则过渡段2与高热阻段3的结合处温度约540°C，电连接端温度升高至210°C，电连接处的温度裕度过低；
第二次试算调整过渡段2长度至70mm，壁厚1. 5mm,高热阻段3长度150mm，壁厚1mm，则尽管电连接端温度降至160°C，但过渡段2与高热阻段3的结合处温度升高至约 700°C，高热阻段3的温度裕度过低；
第三次试算继续调整过渡段2长度90mm，壁厚1. 5mm,高热阻段3长度130mm，壁厚 1mm，则安装法兰的温度180°C左右，过渡段与高热阻段的结合处温度约600°C，可以满足高热阻段材料和电连接的温度要求。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
权利要求
1.一种三段式电弧加热推力器，其特征在于采用分段结构，分为三段，包括阳极段 (1)、过渡段⑵和高热阻段(3)，过渡段⑵一端的内部焊接固定阳极段(1)，过渡段(2) 另一端与高热阻段C3)焊接固定形成外壳，阳极段(1)采用钨或钨合金制成，过渡段(2)用钼合金制成，高热阻段(3)为用钛合金、高温合金或不锈钢制成的薄壁结构。
2.根据权利要求1所述的一种三段式电弧加热推力器，其特征在于所述的过渡段(2) 和高热阻段(3)焊接处在电弧加热推力器工作时的温度为450 650°C。
全文摘要
一种三段式电弧加热推力器，采用分段结构，分为三段，包括阳极段、过渡段和高热阻段，过渡段一端的内部焊接固定阳极段，过渡段另一端与高热阻段焊接固定形成外壳。本发明根据推力器不同部分对材料的需求，分别关注高温性能、结构强度、导热性能、焊接性能，降低了材料选取的难度，能够满足不同温度范围对材料使用温度、导热系数、强度等物理性能的要求，且满足了结构整体的焊接要求，实现了推力器结构件的工程化设计；本发明采用三段式结构，三段采用不同的热阻和热膨胀系数材料制成，提高了推力器的轴向温度梯度，解决了不同材料焊接的匹配性，在有限的尺寸上，满足推力器对工作温度分布的要求。
文档编号H05B7/00GK102518572SQ201110412319
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者周怡秋, 林星荣, 沈岩, 魏延明 申请人:北京控制工程研究所